Оптические средства аналитической техники.

Для получения информации о составе и свойствах анализируемых сред в аналитической технике используется весь известный спектр электромагнитных колебаний. Причем анализаторы, работающие в видимой части спектра, называются оптическими (фотометрическими).

К оптической части спектра принято относить инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучение.

Фотометрические анализаторы являются наиболее распространенными средствами медико-биологических исследований.

Теория работы оптических анализаторов.

Анализ гомогенных сред.

Гомогенными называются среды, не имеющие никаких неоднородностей.

(1)

(2)

ln (3)

ln (4)

если гомогенную анализируемую среду просвечивать лучом, исходящим от источника излучения ИИ с интенсивностью I , то на выходе из слоя толщиной δ интенсивность излучения будет меньше I . Т.е. анализируемая среда частично поглощает излучение, но оставшееся излучение поступает в приемник излучения ПИ. Такое явление называется абсорбцией. Таким образом, абсорбционные анализаторы основаны на явлении поглощения электромагнитного излучения, которое описывается законом Бугера-Ламберта-Бера

Формула 1 :

K – показатель поглащения; К = E_λ С

I _0λ – интенсивность излучения, поступоющего на приемник и выходящего из источника излучения;

E_λ – постоянный коэффициент для данной длины волны;

С – концентрация определяемого компонента.

Из (1) следует (2), вытекают 2 важные величины, описываемые уравнениями (3),(4).

D-оптическая плотность – экстинция;

П – пропускание, прозрачность.

Для ввода возможности использования оптического абсорбционного принципа измерения для определения концентрации какого – либо компонента в анализируемой среде, необходимо сначала изучить спектры разложения или пропускания для данных компонентов и других компонентов, составляющих среду.

На графике схема пропускания для двух компонентов среды. Видно, что для длин волн λ1 ,λ 2 имеет место селективное поглощение компонентами 1 и 2 электромагнитного излучения. На другой длине волны спектры перекрываются, следовательно, селективное определение невозможно.

Анализаторы, основанные на поглощении электромагнитного излучения гомогенных сред, называют спектрометрами(фотоколориметрами, спектрофотометрами).

Анализ гетерогенных сред.

Гетерогенные (дисперсные) среды – неоднородные среды (жидкость, содержащая механические частицы, частицы воздуха или частицы другой жидкости, не смешивающиеся с основной средой).

I₁ = I₀ e ^–Kpδ (1)

Kp = (λ,V_ч, n C)

I₂ = a I₀ (2)

a= f (λ,V_ч, n C)

При прохождении электромагнитного слоя излучения гетерогенной среды имеет место следующие явления: прохождение, огибание, в случае , если λ_изл < d частицы- дифракция.

При просвечивании гетерогенной среды возникает два потока излучения :

1. Выходит из среды в направлении, совпадающим с направлением луча, создаваемого источником излучения (поток с интенсивностью I₁ .Он пропускается в приемник излучения ПИ1 и описывается уравнением 1)

2. Поток рассеянного излучения I₂ ,он может быть измерян под любым углом, однако, чаще измеряется под углом 90⁰ к направлению луча от источника. Появление этого потока связано с названным ранее явлениями – рассеяние, преломление, отражение.Описывается формулой 2 .

Kp – показатель рассеивания, который является сложным и определяется экспериментальным путем функции длины волны λ, объема частицы V_ч

а- постоянный коэффициент, который является функцией от названных выше величин.

n- коэффициент преломления материальной частицы.

С – концентрация.

Анализаторы, которые используются в работе, выходящие из гетерогенной среды – турбидиметры.

Анализаторы, которые используют в работе рассеянное излучение, выходящее из гетерогенной среды – нефелометрами.

Фотоколориметры.

Существует много схем фотоколориметров. Наиболее важными являются фотоколориметры, построенные по схемам прямого измерительного преобразования и уравновешенного измерительного преобразования. Характерной особенностью фотоколориметров является то, что выбранная длина волны выделяется с помощью фильтров.

Фотоколориметр, реализующий прямое измерительное преобразование:

Здесь луч света от лампы 1 поступает в оптическую систему 2 и далее через один из фильтров Ф1 Ф2 Ф3, призму 3 и зеркала 4 направляется в 2 канала: измерительный и сравнительный. В этих каналах располагаются стеклянные кюветы 5, заполненные анализируемой средой, а 6 – эталонной средой. Оптическая плотность Dэт известна. Лучи, выходящие из кювет попадают в 2 идентичных по характеристикам фотоприемника(фотоэлемента, фотодиода), сигналы которых поступают на вход дифференциального усилителя 9, вычисляет их разность и усиливает разность сигналов. Выходящий сигнал дифференциального усилителя 9 подается на аналоговый или цифровой вольтметр 10 и описывается фомулой:

U = k(D – Dэт), где k- коэффициент преобразования.

Недостаток схемы: Фотоприемники могут во времени по разному изменять свои характеристики, что приводит к погрешности. Кроме того определение погрешности вносит старение источника излучения 1 во времени.

От этих недостатков свободен фотоколориметр, построенный по схеме уравновешенного измерительного преобразования.

Все элементы, до 7 включительно, идентичны схеме а, причем, здесь используется 1 фотоприемник. А излучении из измерительного и сравнительного каналов поступают на фотоприемник поочередно. Для этого используется обтюратор 14 (диск с отверстиями 16, который приводится во вращательное движение с помощью синхронного двигателя 15). На графике показаны сигналы фотоприемника, поступающие от измерительного И и сравнительного Ср каналов. Если импульсы по амплитуде такие, как показано на графике сплошной линией, то специальный усилитель 10 усиливает их и управляет работой реверсивного двигателя 11 т.о. чтобы, его ротор, механически связанный со шторкой 17, перемещал бы ее в направлении уменьшения потока света, поступающего из сравнительного канала. Это перемещение будет происходить до тех пор пока импульсы сравнительного и эталонного канала не станут равны по амплитуде импульсам, поступающим из измерительного канала (пунктир).

При таком условии ротор двигателя останавливается, т.е. будет достигнуто уравновешение, а значение разности оптических плотностей будет определяться показаниям стрелки 12 на шкале 13.

Такая схема достигает равновесия при одном и том же значении разности оптической плотности , т.к. это равновесие практически не зависит от характеристик источника и приемника электромагнитного излучения. Класс точности 0,5 – 1,5. Сами по себе они используются для анализа окрашенных сред, однако, широчайшее применение они имеют в случаях, когда для анализа используются дополнительные химические реакции. Они предают прозрачной среде характерную окраску, интенсивность которой зависит от концентрации определяемого компонента.

Спектрофотометры.

В этих измерительных устройствах в отличие от фотоколориметров требуемая длина волны электромагнитного излучения создается с помощью специального устройства – монохроматора.

Монохроматор содержит источник белого света 2, линзу 3, с помощью которой создается пучок света. Этот пучок направляется к диспергирующему элементу 4, например, к призме или дифракционной решетке, на этом элементе за счет явления дисперсии луч белого света разлагается или расщепляется на составляющие от красного света до фиолетового. Для выбора требуемого излучения с длиной волны λ призму поворачивают и направляют выбранный луч в щель 5 монохроматора. Это излучение далее направляется к кювету так же, как это делается в фотоколориметрах.

Турбидиметры.

Принципиально эти приборы не отличаются от фотоколориметров, и в них используются гетерогенные среды.

Нефелометры.

В нефелометрах может быть использована как схема прямого разделительного преобразователя, так и уравновешивающего. Последняя в качестве примера приведена на рисунке. Луч света от источника 1 направляется в нижний измерительный и верхний сравнительный каналы. В нижний канал свет поступает через оптическую систему 2, кювету 4, заполненную анализируемой средой, причем кювета снабжена окнами 5, 6, 7. Из окна 5 свет напрямую проходит в окно 7, которое необходимо для исключения отражения света от стенок кюветы. Если анализируемая гетерогенная среда не содержит частиц, то из окна 6 в измерительный канал не попадает свет. Если же в среде имеются частицы, то на них рассеивается часть излучения, и это излучение под углом 90º к основному световому потоку через окно 6и оптическую систему 8, а также отверстие 10 обтюратора 9 направляется к зеркалу 12 и далее к фотоприемнику. В сравнительном канале свет проходит через оптическую систему 3 обтюратора 9 к зеркалу 13. Работа данной и остальной части прибора аналогична работе фотоколориметра, построенного по методу уравновешивающего измерительного преобразования.

14 – фотоприемник. 15 – усилитель переменного тока. 16 – двигатель. 17 – стрелка. 18 – шкала. 19 – шторка. 11 – синхронный двигатель.

Класс точности нефелометров 0,5-1,5.